第一篇：控制工程基礎(chǔ)教案實驗1典型環(huán)節(jié)的模擬(matlab應(yīng)用于機械控制工程)

線性控制系統(tǒng)分析與設(shè)計 6.1.2傳遞函數(shù)描述法

MATLAB中使用tf命令來建立傳遞函數(shù)。語法：

G=tf(num,den)

%由傳遞函數(shù)分子分母得出 說明：num為分子向量，num=[b1,b2,…,bm,bm+1]；den為分母向量，den=[a1,a2,…,an-1,an]?！纠?.1續(xù)】將二階系統(tǒng)描述為傳遞函數(shù)的形式。

num=1;den=[1 1.414 1];G=tf(num,den)

%得出傳遞函數(shù) 6.1.3零極點描述法

MATLAB中使用zpk命令可以來實現(xiàn)由零極點得到傳遞函數(shù)模型。語法：

G=zpk(z,p,k)

%由零點、極點和增益獲得 說明：z為零點列向量；p為極點列向量；k為增益?！纠?.1續(xù)】得出二階系統(tǒng)的零極點，并得出傳遞函數(shù)。z=roots(num)

p=roots(den)

zpk(z,p,1)

程序分析：roots函數(shù)可以得出多項式的根，零極點形式是以實數(shù)形式表示的。部分分式法是將傳遞函數(shù)表示成部分分式或留數(shù)形式：

【例6.1續(xù)】將傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換成部分分式法，得出各系數(shù)。

[r,p,k]=residue(num,den)

2.脈沖傳遞函數(shù)描述法

脈沖傳遞函數(shù)也可以用tf命令實現(xiàn)。語法：

G=tf(num,den,Ts)

%由分子分母得出脈沖傳遞函數(shù)

說明：Ts為采樣周期，為標(biāo)量，當(dāng)采樣周期未指明可以用-1表示，自變量用'z'表示?！纠?.2續(xù)】創(chuàng)建離散系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)。

num1=[0.5 0];den=[1-1.5 0.5];G1=tf(num1,den,-1)

3.零極點增益描述法

離散系統(tǒng)的零極點增益用zpk命令實現(xiàn)。語法：

G=zpk(z,p,k,Ts)

%由零極點得出脈沖傳遞函數(shù) 【例6.2續(xù)】使用zpk命令產(chǎn)生零極點增益?zhèn)鬟f函數(shù)。

G3=zpk([0],[0.5 1],0.5,-1)

6.2線性系統(tǒng)模型之間的轉(zhuǎn)換 6.2.1連續(xù)系統(tǒng)模型之間的轉(zhuǎn)換 控制系統(tǒng)工具箱中有各種不同模型轉(zhuǎn)換的函數(shù)，如下表6.1所示為線性系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換的函數(shù)。表6.1 線性系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換函數(shù)表 函數(shù)

調(diào)用格式

功能

tf2ss

[a,b,c,d]=tf2ss(num,den)

傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為狀態(tài)空間

tf2zp

[z,p,k]=tf2zp(num,den)

傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為零極點描述

ss2tf

[num,den]=ss2tf(a,b,c,d,iu)

狀態(tài)空間轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)

ss2zp

[z,p,k]=ss2zp(a,b,c,d,iu)

狀態(tài)空間轉(zhuǎn)換為零極點描述

zp2ss

[a,b,c,d]=zp2ss(z,p,k)

零極點描述轉(zhuǎn)換為狀態(tài)空間

zp2tf

[num,den]=zp2tf(z,p,k)

零極點描述轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)

2.get命令和set命令

(1)get命令可以獲取模型對象的所有屬性 語法：

get(G)

%獲取對象的所有屬性值

get(G,’PropertyName’,…)

%獲取對象的某些屬性值 說明：G為模型對象名；’PropertyName’為屬性名。(2)set命令用于修改對象屬性名 語法：

set(G,’PropertyName’,PropertyValue,…)%修改對象的某些屬性值

【例6.5】已知二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，獲取其傳遞函數(shù)模型的屬性，并將傳遞函數(shù)修改為。

num=1;den=[1 1.414 1];G=tf(num,den);

get(G)

set(G,'den',[1 2 1],'Variable','s')

G

%獲取所有屬性 %設(shè)置屬性

6.3結(jié)構(gòu)框圖的模型表示 1.串聯(lián)結(jié)構(gòu)

SISO的串聯(lián)結(jié)構(gòu)是兩個模塊串聯(lián)在一起，如圖6.1所示。實現(xiàn)串聯(lián)結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)的命令：

G=G1*G2

G=series(G1,G2)2.并聯(lián)結(jié)構(gòu)

SISO的并聯(lián)結(jié)構(gòu)是兩個模塊并聯(lián)在一起，如圖6.2所示。實現(xiàn)并聯(lián)結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)的命令：

G=G1+G2

G=parallel(G1,G2)3.反饋結(jié)構(gòu)

反饋結(jié)構(gòu)是前向通道和反饋通道模塊構(gòu)成正反饋和負反饋，如圖6.3所示。實現(xiàn)反饋結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)的命令：

G=feedback(G1,G2,Sign)說明：Sign用來表示正反饋或負反饋，Sign=-1或省略則表示為負反饋?！纠?.6】根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖求出整個系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，結(jié)構(gòu)框圖如圖6.4所示，其中，。

G1=tf(1,[1 2 1])

G2=tf(1,[1 1]);G3=tf(1,[2 1]);G4=tf(1,[1 0]);G12=G1+G2

G34=G3-G4 %并聯(lián)結(jié)構(gòu) %并聯(lián)結(jié)構(gòu)

G=feedback(G12,G34,-1)%反饋結(jié)構(gòu)

4.復(fù)雜的結(jié)構(gòu)框圖

求取復(fù)雜結(jié)構(gòu)框圖的數(shù)學(xué)模型的步驟：(1)將各模塊的通路排序編號；

(2)建立無連接的數(shù)學(xué)模型：使用append命令實現(xiàn)各模塊未連接的系統(tǒng)矩陣。G=append(G1,G2,G3,…)

(3)指定連接關(guān)系：寫出各通路的輸入輸出關(guān)系矩陣Q，第一列是模塊通路編號，從第二列開始的幾列分別為進入該模塊的所有通路編號；INPUTS變量存儲輸入信號所加入的通路編號；OUTPUTS變量存儲輸出信號所在通路編號。(4)使用connect命令構(gòu)造整個系統(tǒng)的模型。Sys=connect(G,Q,INPUTS,OUTPUTS)如果各模塊都使用傳遞函數(shù)，也可以用blkbuild命令建立無連接的數(shù)學(xué)模型，則第二步修改如下：

將各通路的信息存放在變量中：通路數(shù)放在nblocks，各通路傳遞函數(shù)的分子和分母分別放在不同的變量中；用blkbuild命令求取系統(tǒng)的狀態(tài)方程模型。

【例6.7】根據(jù)圖6.5所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，求出系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)。方法一：使用append命令

(1)將各模塊的通路排序編號，如圖6.6所示。(2)使用append命令實現(xiàn)各模塊未連接的系統(tǒng)矩陣

G1=tf(1,[1 0]);G2=tf(1,[1 1 0]);G3=tf(1,[1 1 0]);G4=tf(-2,1);G5=tf(-1,1);G6=tf(1,[1 0]);G7=tf(-1,[1 1]);Sys=append(G1,G2,G3,G4,G5,G6,G7)

程序分析：將每個模塊用append命令放在一個系統(tǒng)矩陣中，可以看到Sys模塊存放了七個模塊的傳遞函數(shù)，為了節(jié)省篇幅在此未列出完整的Sys模塊。(3)指定連接關(guān)系

Q=[1 6 5;

%通路1的輸入信號為通路6和通路5 2 1 7;

%通路2的輸入信號為通路1和通路7 3 2 0;

%通路3的輸入信號為通路2 4 3 0;5 4 0;6 2 0;7 3 0;] INPUTS=1;%系統(tǒng)總輸入由通路1輸入

OUTPUTS=4;

%系統(tǒng)總輸出由通路4輸出 程序分析：Q矩陣建立了各通路之間的關(guān)系，共有7行；每行的第一列為通路號，從第二列開始為各通路輸入信號的通路號；INPUTS變量存放系統(tǒng)輸入信號的通路號；OUTPUTS變量存放系統(tǒng)輸出信號的通路號。

(4)使用connect命令構(gòu)造整個系統(tǒng)的模型

G =connect(Sys,Q,INPUTS,OUTPUTS)

第二篇：機械控制工程基礎(chǔ)期末考試知識點

機械控制工程基礎(chǔ)期末考試知識點

一：選擇判斷題

1, 控制工程的必要條件是什么？（快速性，準(zhǔn)確性，穩(wěn)定性）

2，單位脈沖函數(shù)的拉式變換結(jié)果

3，什么叫系統(tǒng)閉環(huán)極點（算術(shù)題，選擇）

4，閉環(huán)函數(shù)公式（選擇）

5，一階系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)形式（選擇）

6，傳遞函數(shù)不適合非線性定常系統(tǒng)（判斷）

7，傳遞函數(shù)有無量綱（有無都不對，判斷題）

8，一階系統(tǒng)的調(diào)整時間公式

9，一階系統(tǒng)的響應(yīng)速度與什么有關(guān)系？

10，超調(diào)量反映系統(tǒng)響應(yīng)的 小時增大）

11,終值定理計算，t趨近與無窮時，原函數(shù)的值，（會算）GB(S)

(0<§<1)

12，影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差因素（輸入信號…）

13，調(diào)整系統(tǒng)增益對系統(tǒng)有何影響？

14，增加微分環(huán)節(jié)能增加系統(tǒng)阻尼。

15，什么叫系統(tǒng)的型次（區(qū)別幾型系統(tǒng)）

16，利用穩(wěn)態(tài)計算穩(wěn)態(tài)誤差（有表格，必須為標(biāo)準(zhǔn)型）

17，頻率響應(yīng)的定義（判斷題，是正弦信號穩(wěn)態(tài)響應(yīng)）

18，延時環(huán)節(jié)標(biāo)坐標(biāo)圖（單位圓）

19，零頻反映系統(tǒng)的什么性能？（準(zhǔn)確性）

20，Bode高頻段反映系統(tǒng)的什么性能（高頻干擾能力）

21，頻率分析法用典型信號是什么？（正弦信號）

22，系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是什么？（判斷）

23，滯后校正使系統(tǒng)響應(yīng)過度快了還是慢了？（慢了）

24，會用勞斯判據(jù)判別穩(wěn)定性。2KWN?2 2S?2?WNS?WN

二：能力應(yīng)用題

1，化簡方框圖的傳遞函數(shù)（課件例題）

2，對質(zhì)量彈簧阻尼的機械系統(tǒng)會求傳遞函數(shù)（課件參考）

3，分別會算輸入和干擾引起的穩(wěn)態(tài)誤差的計算（看課件）

4，奈奎斯特圖會畫圖（－∽，＋∽）？會奈奎斯特判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性會分析（P=N-Z）5，深入理解掌握傳遞函數(shù)，頻率特性函數(shù)，幅頻特性，相頻特性，頻率響應(yīng)直接的轉(zhuǎn)換關(guān)系？

6，掌握超前，滯后校正和超前的設(shè)計

7，會用圖解法計算Wt WCrKt

8，掌握Bode圖畫法（正反都要掌握）

會對圖線疊加。

第三篇：機械控制工程基礎(chǔ)第二章答案

習(xí)

題

2.1

什么是線性系統(tǒng)?其最重要的特性是什么?下列用微分方程表示的系統(tǒng)中,表示系統(tǒng)輸出,表示系統(tǒng)輸入,哪些是線性系統(tǒng)?

(1)

(2)

(3)

(4)

解:

凡是能用線性微分方程描述的系統(tǒng)就是線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)的一個最重要特性就是它滿足疊加原理。該題中（2）和（3）是線性系統(tǒng)。

2.2

圖（題2.2）中三同分別表示了三個機械系統(tǒng)。求出它們各自的微分方程，圖中表示輸入位移，表示輸出位移，假設(shè)輸出端無負載效應(yīng)。

圖(題2.2)

解:

(1)對圖(a)所示系統(tǒng)，由牛頓定律有

即

(2)對圖(b)所示系統(tǒng)，引入一中間變量x,并由牛頓定律有

消除中間變量有

(3)對圖(c)所示系統(tǒng)，由牛頓定律有

即

2.3求出圖(題2.3)所示電系統(tǒng)的微分方程。

圖（題2.3）

解:(1)對圖(a)所示系統(tǒng),設(shè)為流過的電流,為總電流,則有

消除中間變量,并化簡有

(2)對圖(b)所示系統(tǒng)，設(shè)i為電流，則有

消除中間變量,并化簡有

2.4

求圖(題2.4)所示機械系統(tǒng)的微分方程。圖中M為輸入轉(zhuǎn)矩,為圓周阻尼，J為轉(zhuǎn)動慣量。

解：設(shè)系統(tǒng)輸入為M（即），輸出(即)，分別對圓盤和質(zhì)塊進行動力學(xué)分析，列寫動力學(xué)方程如下：

消除中間變量,即可得到系統(tǒng)動力學(xué)方程

2.5

輸出y(t)與輸入x(t)的關(guān)系為y(t)=

2x(t)+0.5(t)。

（1）求當(dāng)工作點為=0,=1,=2時相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)時輸出值；

（2）在這些工作點處作小偏差線性化模型，并以對工作的偏差來定義x和y，寫出新的線性化模型。

解:

(1)

將

=0,=1,=2分別代入y(t)=

2x(t)+0.5(t)中,即當(dāng)工作點為=0,=1,=2時相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)輸出值分別為。

(2)

根據(jù)非線性系統(tǒng)線性化的方法有，在工作點附近,將非線性函數(shù)展開成泰勒級數(shù),并略去高階項得

若令,有

當(dāng)工作點為時,當(dāng)工作點為時,當(dāng)工作點為時,2.6已知滑閥節(jié)流口流量方程式為，式中．Q為通過節(jié)流閥流口的流量；p為節(jié)流閥流口的前后油壓差；為節(jié)流閥的位移量；c為疏量系數(shù)；w為節(jié)流口面積梯度；為油密度。試以Q與p為變量（即將Q作為P的函數(shù)）將節(jié)流閥流量方程線性化。

解：利用小偏差線性化的概念，將函數(shù)Q=F(，p)在預(yù)定工作點F(，)處按泰勒級數(shù)展開為

消除高階項，有

若令，將上式改寫為增量方程的形式

2.7

已知系統(tǒng)的動力學(xué)方程如下,試寫出它們的傳遞函數(shù)Y(s)/R(s)。

（1）

（2）

（3）

（4）

解：根據(jù)傳遞函數(shù)的定義，求系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，只需將其動力學(xué)方程兩邊分別在零初始條件下進行拉式變換，然后求Y(s)/R(s)。

(1)

(2)

(3)

(4)

2.8

如圖（題2.8）為汽車或摩托車懸浮系統(tǒng)簡化的物理模型，試以位移x為輸入量，位移y為輸出量，求系統(tǒng)的傳遞函數(shù)Y(s)/X(s)。

2.9

試分析當(dāng)反饋環(huán)節(jié)H(s)=1,前向通道傳遞函數(shù)G(s)分別為慣性環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)時，輸入、輸出的閉環(huán)傳遞函數(shù)。

解：由于慣性環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)分別為，,而閉環(huán)傳遞函數(shù)為,則

(1)當(dāng)反饋環(huán)節(jié)H(s)=1,前向通道傳遞函數(shù)G(s)為慣性環(huán)節(jié)時，(2)

當(dāng)反饋環(huán)節(jié)H(s)=1,前向通道傳遞函數(shù)G(s)為微分環(huán)節(jié)時，(3)當(dāng)反饋環(huán)節(jié)H(s)=1,前向通道傳遞函數(shù)G(s)為積分環(huán)節(jié)時，2.10

證明圖（題2.10）與圖（題2.3（a）所示系統(tǒng)是相似系統(tǒng)（即證明兩系統(tǒng)的傳遞函數(shù)具有相同形式）。

解：對題2.4(a)系統(tǒng)，可列出相應(yīng)的方程。

對以上三式分別作Laplce別換，并注意到初始條件為零,即

則,得,得,得

即

則

將(4)式中的代入(9)式

再用(4)式與上式相比以消去,即得電系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

而本題中，引入中間變量x,依動力學(xué)知識有

對上二式分別進行拉式變換有

消除有

比較兩系統(tǒng)的傳遞函數(shù)有

故這兩個系統(tǒng)為相似系統(tǒng)。

2.11

一齒輪系如圖（題2.11）所示。圖中，、、和分別為各齒輪齒數(shù)；、、和表示各種傳動軸上的轉(zhuǎn)動慣量，、和為各軸的角位移；是電動機輸出轉(zhuǎn)矩。試列寫折算到電動軸上的齒輪系的運動方程。

2.12

求圖（題2.12）所示兩系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

圖（題2.12）

解：(1)由圖(a)中系統(tǒng)，可得動力學(xué)方程為

作Laplce別換，得

則有

(2)由圖(b)中系統(tǒng),設(shè)i為電網(wǎng)絡(luò)的電流，可得方程為

作Laplce別換，得

消除中間變量有

2.13

某直流調(diào)速系統(tǒng)如圖（題2.13）所示，為給定輸入量，電動機轉(zhuǎn)速n為系統(tǒng)的輸出量，電動機的負載轉(zhuǎn)矩為系統(tǒng)的擾動量。各環(huán)節(jié)的微分方程：

比較環(huán)節(jié)

比例調(diào)節(jié)器

（為放大系數(shù)）

晶閘管觸發(fā)整流裝置

(為整流增益)

電動機電樞回路

(為電樞回路電阻,為電樞回路電感,為電樞電流)

電樞反電勢

(為反電勢系數(shù))

電磁轉(zhuǎn)矩

(為轉(zhuǎn)矩系數(shù))

負載平衡方程

(為轉(zhuǎn)動慣量，為負

載轉(zhuǎn)矩)

測速電動機

(為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù))

試根據(jù)所給出的微分方程，繪制各環(huán)節(jié)相應(yīng)的傳遞函數(shù)方框圖和控制系數(shù)的傳遞函數(shù)方框圖，并由方框圖求取傳遞函數(shù)和。

2.14

試繪制圖（題2.14）所示機械系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖。

2.15

若系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖為圖（題2.15）。

(1)

求以為輸入，當(dāng)時，分別以、、、為輸出的閉環(huán)傳遞函數(shù)；

(2)

求以為輸入，當(dāng)時，分別以、、、為輸出的閉環(huán)傳遞函數(shù)；

(3)

比較以上各傳遞函數(shù)的分母，從中可以得出什么結(jié)論？

圖(題2.15)

解:(1)求以為輸入，當(dāng)時:

若以為輸出,有

若以為輸出,有

若以為輸出,有

若以為輸出,有

(2)

求以為輸入，當(dāng)時:

若以為輸出,有

若以為輸出,有

若以為輸出,有

若以為輸出,有

(3)從上可知：對于同一個閉環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)輸入的取法不同時，前向通道的傳遞出數(shù)不同，反饋回路的傳遞函數(shù)不同，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)也不同，但系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的分母保持不變，這是因為這一分母反映了系統(tǒng)的固有特性，而與外界無關(guān)。

2.16

已知某系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框圖為圖（題2.16），其中，為輸入，為輸出,N(s)為干擾，試問：G(s)為何值時，系統(tǒng)可以消除干擾的影響。

圖（題2.16）

解：方法一：根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理，令,N(s)為輸入，系統(tǒng)的輸出為

其中

令

有

方法二：令，N(s)為輸入，則系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框圖可以表示成圖（題2.16.b）所示。

圖（題2.16.b）

根據(jù)相加點前后移動的規(guī)則可以將其進一步簡化成圖（題2

.16.c）和圖（題2.16．d）所示的形式。

圖（題2.16.c）

圖（題2.16.d）

因此，系統(tǒng)在N(s)為輸入時的傳遞函數(shù)為

同樣可得時，系統(tǒng)可消除干擾的影響。

2.17

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖(題2.17)所示，求系統(tǒng)傳遞函數(shù)。

2.18

求出（題2.18）所示系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

圖(題2.18)

解：方法一：利用梅遜公式，可得

方法二：利用方框圖簡化規(guī)則，有圖（題2.18.b）

圖（題2.18.b）

2.19

求出圖（題2.19）所示系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

圖（題2.19）

解：根據(jù)方框圖簡化規(guī)則，有圖（題2.19.b）

圖（題2.19.b）

2.20

求出圖（題2.20）所示系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

圖（題2.20）

解：根據(jù)方框圖簡化規(guī)則，有圖（題2.20.b）

圖（題2.20.b）

2.21

設(shè)描述系統(tǒng)的微分方程為

(1)

(2)

試導(dǎo)出系統(tǒng)的狀態(tài)方程。

2.22

RLC電網(wǎng)絡(luò)如圖（題2.22）所示，u(t)為輸入，流過電阻的電流為輸出，試列寫該網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)方程及輸出方程。

2.23

系統(tǒng)傳函數(shù)方框圖為圖（題2.23），試列寫該系統(tǒng)的狀態(tài)方程及輸出方程。

2.24

圖（題2.24）為某一級倒立擺系統(tǒng)示意圖?；_通過絲杠傳動，可沿一直線的有界導(dǎo)軌沿水平方向運動；擺桿通過鉸鏈與滑臺連接，可在沿直線平面內(nèi)擺動?；_質(zhì)量為M，擺桿質(zhì)量為m，擺桿轉(zhuǎn)動慣量為J，滑臺摩擦系數(shù)為c,擺桿轉(zhuǎn)動軸心到桿質(zhì)心的長度為L,加在滑臺水平方向上的合力為u,滑臺位置為x,擺桿與鉛直向上的夾角為。

(1)

以為輸入，為輸出，列寫系統(tǒng)的微分方程；

(2)

求系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；

(3)

試列寫該系統(tǒng)的狀態(tài)方程及輸出方程。

第四篇：實驗一 典型環(huán)節(jié)的MATLAB仿真

實驗一

典型環(huán)節(jié)的MATLAB仿真

一、實驗?zāi)康?/p>

1．熟悉MATLAB桌面和命令窗口，初步了解SIMULINK功能模塊的使用方法。2．通過觀察典型環(huán)節(jié)在單位階躍信號作用下的動態(tài)特性，加深對各典型環(huán)節(jié)響應(yīng)曲線的理解。

3．定性了解各參數(shù)變化對典型環(huán)節(jié)動態(tài)特性的影響。

二、SIMULINK的使用

MATLAB中SIMULINK是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包。利用SIMULINK功能模塊可以快速的建立控制系統(tǒng)的模型，進行仿真和調(diào)試。

1．運行MATLAB軟件，在命令窗口欄“>>”提示符下鍵入simulink命令，按Enter鍵或在工具欄單擊按鈕，即可進入如圖1-1所示的SIMULINK仿真環(huán)境下。

2．選擇File菜單下New下的Model命令，新建一個simulink仿真環(huán)境常規(guī)模板。3．在simulink仿真環(huán)境下，創(chuàng)建所需要的系統(tǒng)。

圖1-1

SIMULINK仿真界面 圖1-2

系統(tǒng)方框圖

以圖1-2所示的系統(tǒng)為例，說明基本設(shè)計步驟如下：

1）進入線性系統(tǒng)模塊庫，構(gòu)建傳遞函數(shù)。點擊simulink下的“Continuous”，再將右邊窗口中“Transfer Fen”的圖標(biāo)用左鍵拖至新建的“untitled”窗口。

2）改變模塊參數(shù)。在simulink仿真環(huán)境“untitled”窗口中雙擊該圖標(biāo)，即可改變傳遞函數(shù)。其中方括號內(nèi)的數(shù)字分別為傳遞函數(shù)的分子、分母各次冪由高到低的系數(shù)，數(shù)字之間用空格隔開；設(shè)置完成后，選擇OK，即完成該模塊的設(shè)置。3）建立其它傳遞函數(shù)模塊。按照上述方法，在不同的simulink的模塊庫中，建立系統(tǒng)所需的傳遞函數(shù)模塊。例：比例環(huán)節(jié)用“Math”右邊窗口“Gain”的圖標(biāo)。

4）選取階躍信號輸入函數(shù)。用鼠標(biāo)點擊simulink下的“Source”，將右邊窗口中“Step”圖標(biāo)用左鍵拖至新建的“untitled”窗口，形成一個階躍函數(shù)輸入模塊。

5）選擇輸出方式。用鼠標(biāo)點擊simulink下的“Sinks”，就進入輸出方式模塊庫，通常選用“Scope”的示波器圖標(biāo)，將其用左鍵拖至新建的“untitled”窗口。

6）選擇反饋形式。為了形成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，需選擇“Math” 模塊庫右邊窗口“Sum”圖標(biāo)，并用鼠標(biāo)雙擊，將其設(shè)置為需要的反饋形式（改變正負號）。

7）連接各元件，用鼠標(biāo)劃線，構(gòu)成閉環(huán)傳遞函數(shù)。

8）運行并觀察響應(yīng)曲線。用鼠標(biāo)單擊工具欄中的“”按鈕，便能自動運行仿真環(huán)境下的系統(tǒng)框圖模型。運行完之后用鼠標(biāo)雙擊“Scope”元件，即可看到響應(yīng)曲線。

三、實驗原理

1．比例環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為

G(s)??Z2R??2??2Z1R1R1?100K,R2?200K

其對應(yīng)的模擬電路及SIMULINK圖形如圖1-3所示。

圖1-3 比例環(huán)節(jié)的模擬電路及SIMULINK圖形

2．慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為

Z2R12????Z1R2C1?10.2s?1R2G(s)??R1?100K,R2?200K,C1?1uf

其對應(yīng)的模擬電路及SIMULINK圖形如圖1-4所示。3．積分環(huán)節(jié)(I)的傳遞函數(shù)為

G(s)??Z211????Z1R1C1s0.1sR1?100K,C1?1uf

其對應(yīng)的模擬電路及SIMULINK圖形如圖1-5所示。

圖1-5 積分環(huán)節(jié)的模擬電路及及SIMULINK圖形 圖1-4 慣性環(huán)節(jié)的模擬電路及SIMULINK圖形

4．微分環(huán)節(jié)(D)的傳遞函數(shù)為

G(s)??Z2??R1C1s??sZ1R1?100K,C1?10uf C2??C1?0.01uf

其對應(yīng)的模擬電路及SIMULINK圖形如圖1-6所示。

圖1-6 微分環(huán)節(jié)的模擬電路及及SIMULINK圖形

5．比例+微分環(huán)節(jié)（PD）的傳遞函數(shù)為

G(s)??Z2R??2(R1C1s?1)??(0.1s?1)Z1R1C2??C1?0.01uf R1?R2?100K,C1?10uf其對應(yīng)的模擬電路及SIMULINK圖形如圖1-7所示。

6．比例+積分環(huán)節(jié)（PI）的傳遞函數(shù)為 R2?1Z2C1s1G(s)??????(1?)R1?R2?100K,C1?10uf

Z1R1s

圖1-7 比例+微分環(huán)節(jié)的模擬電路及SIMULINK圖形其對應(yīng)的模擬電路及SIMULINK圖形如圖1-8所示。

圖1-8 比例+積分環(huán)節(jié)的模擬電路及SIMULINK圖形

四、實驗內(nèi)容

按下列各典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，建立相應(yīng)的SIMULINK仿真模型，觀察并記錄其單位階躍響應(yīng)波形。

① 比例環(huán)節(jié)G1(s)?1和G1(s)?2；

圖1-1 比例環(huán)節(jié)的模擬電路

② 慣性環(huán)節(jié)G1(s)?11和G2(s)? s?10.5s?1

③ 積分環(huán)節(jié)G1(s)?1s

圖3-1積分環(huán)節(jié)的模擬電路

④ 微分環(huán)節(jié)G1(s)?s

圖4-1微分環(huán)節(jié)的模擬電路

⑤ 比例+微分環(huán)節(jié)（PD）G1(s)?s?2和G2(s)?s?1

圖5-1比例+微分環(huán)節(jié)的模擬電路

⑥ 比例+積分環(huán)節(jié)（PI）G1(s)?1?1和G2(s)?1?1

s2s

圖6-1比例+積分環(huán)節(jié)的模擬電路

五、心得體會

⑥ 比例環(huán)節(jié)G1(s)?1和G1(s)?2；

圖1-1 比例環(huán)節(jié)的模擬電路

圖1-2 比例環(huán)節(jié)的仿真圖 11⑦ 慣性環(huán)節(jié)G1(s)?和G2(s)?

s?10.5s?1

圖2-1 慣性環(huán)節(jié)的模擬電路

圖2-2 慣性環(huán)節(jié)的仿真圖

⑧ 積分環(huán)節(jié)G1(s)?1s

圖3-1積分環(huán)節(jié)的模擬電路

圖3-2積分環(huán)節(jié)的仿真圖

4微分環(huán)節(jié)G(s)?s ○1

圖4-1微分環(huán)節(jié)的模擬電路

圖4-1微分環(huán)節(jié)的仿真圖

5比例+微分環(huán)節(jié)（PD）G(s)?s?2和G(s)?s?1 ○

圖5-1比例+微分環(huán)節(jié)的模擬電路

圖5-2比例+微分環(huán)節(jié)的仿真圖

⑥ 比例+積分環(huán)節(jié)（PI）G1(s)?1?1s和G2(s)?1?12s

圖6-1比例+積分環(huán)節(jié)的模擬電路

圖6-2比例+積分環(huán)節(jié)的仿真圖

心得體會：

通過對一些電路圖的仿真，初步了解了SIMULINK功能模塊的使用方法，熟悉MATLAB桌面和命令窗口，同時對各種典型環(huán)節(jié)響應(yīng)曲線有了更深刻的理解，初步知道了各參數(shù)變化對典型環(huán)節(jié)動態(tài)特性的影響。

第五篇：實驗一 典型環(huán)節(jié)的MATLAB仿真

實驗一

典型環(huán)節(jié)的MATLAB仿真

一、實驗?zāi)康?/p>

1．熟悉MATLAB桌面和命令窗口，初步了解SIMULINK功能模塊的使用方法。2．通過觀察典型環(huán)節(jié)在單位階躍信號作用下的動態(tài)特性，加深對各典型環(huán)節(jié)響應(yīng)曲線的理解。

3．定性了解各參數(shù)變化對典型環(huán)節(jié)動態(tài)特性的影響。

二、SIMULINK的使用

MATLAB中SIMULINK是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包。利用SIMULINK功能模塊可以快速的建立控制系統(tǒng)的模型，進行仿真和調(diào)試。

1．運行MATLAB軟件，在命令窗口欄“>>”提示符下鍵入simulink命令，按Enter鍵或在工具欄單擊按鈕，即可進入如圖1-1所示的SIMULINK仿真環(huán)境下。

2．選擇File菜單下New下的Model命令，新建一個simulink仿真環(huán)境常規(guī)模板。3．在simulink仿真環(huán)境下，創(chuàng)建所需要的系統(tǒng)。

圖1-1

SIMULINK仿真界面 圖1-2

系統(tǒng)方框圖

以圖1-2所示的系統(tǒng)為例，說明基本設(shè)計步驟如下：

1）進入線性系統(tǒng)模塊庫，構(gòu)建傳遞函數(shù)。點擊simulink下的“Continuous”，再將右邊窗口中“Transfer Fen”的圖標(biāo)用左鍵拖至新建的“untitled”窗口。

2）改變模塊參數(shù)。在simulink仿真環(huán)境“untitled”窗口中雙擊該圖標(biāo)，即可改變傳遞函數(shù)。其中方括號內(nèi)的數(shù)字分別為傳遞函數(shù)的分子、分母各次冪由高到低的系數(shù)，數(shù)字之間用空格隔開；設(shè)置完成后，選擇OK，即完成該模塊的設(shè)置。

3）建立其它傳遞函數(shù)模塊。按照上述方法，在不同的simulink的模塊庫中，建立系統(tǒng)所需的傳遞函數(shù)模塊。例：比例環(huán)節(jié)用“Math”右邊窗口“Gain”的圖標(biāo)。

4）選取階躍信號輸入函數(shù)。用鼠標(biāo)點擊simulink下的“Source”，將右邊窗口中“Step”圖標(biāo)用左鍵拖至新建的“untitled”窗口，形成一個階躍函數(shù)輸入模塊。

5）選擇輸出方式。用鼠標(biāo)點擊simulink下的“Sinks”，就進入輸出方式模塊庫，通常選用“Scope”的示波器圖標(biāo)，將其用左鍵拖至新建的“untitled”窗口。

6）選擇反饋形式。為了形成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，需選擇“Math” 模塊庫右邊窗口“Sum”圖標(biāo)，并用鼠標(biāo)雙擊，將其設(shè)置為需要的反饋形式（改變正負號）。

7）連接各元件，用鼠標(biāo)劃線，構(gòu)成閉環(huán)傳遞函數(shù)。

8）運行并觀察響應(yīng)曲線。用鼠標(biāo)單擊工具欄中的“”按鈕，便能自動運行仿真環(huán)境下的系統(tǒng)框圖模型。運行完之后用鼠標(biāo)雙擊“Scope”元件，即可看到響應(yīng)曲線。

三、實驗原理

1．比例環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為

G(s)??Z2R??2??2Z1R1R1?100K,R2?200K

其對應(yīng)的模擬電路及SIMULINK圖形如圖1-3所示。

圖1-3 比例環(huán)節(jié)的模擬電路及SIMULINK圖形

2．慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為

Z2R12????Z1R2C1?10.2s?1R2G(s)??R1?100K,R2?200K,C1?1uf

其對應(yīng)的模擬電路及SIMULINK圖形如圖1-4所示。3．積分環(huán)節(jié)(I)的傳遞函數(shù)為

G(s)??Z211????Z1R1C1s0.1sR1?100K,C1?1uf

其對應(yīng)的模擬電路及SIMULINK圖形如圖1-5所示。

圖1-5 積分環(huán)節(jié)的模擬電路及及SIMULINK圖形 圖1-4 慣性環(huán)節(jié)的模擬電路及SIMULINK圖形

4．微分環(huán)節(jié)(D)的傳遞函數(shù)為

G(s)??Z2??R1C1s??sZ1R1?100K,C1?10uf C2??C1?0.01uf

其對應(yīng)的模擬電路及SIMULINK圖形如圖1-6所示。

圖1-6 微分環(huán)節(jié)的模擬電路及及SIMULINK圖形

5．比例+微分環(huán)節(jié)（PD）的傳遞函數(shù)為

G(s)??Z2R??2(R1C1s?1)??(0.1s?1)Z1R1C2??C1?0.01uf R1?R2?100K,C1?10uf其對應(yīng)的模擬電路及SIMULINK圖形如圖1-7所示。6．比例+積分環(huán)節(jié)（PI）的傳遞函數(shù)為

ZG(s)??2??Z

1R2?1C1s1??(1?)R1?R2?100K,C1?10uf

R1s圖1-7 比例+微分環(huán)節(jié)的模擬電路及SIMULINK圖形其對應(yīng)的模擬電路及SIMULINK圖形如圖1-8所示。

圖1-8 比例+積分環(huán)節(jié)的模擬電路及SIMULINK圖形

四、實驗內(nèi)容

按下列各典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，建立相應(yīng)的SIMULINK仿真模型，觀察并記錄其單位階躍響應(yīng)波形。

① 比例環(huán)節(jié)G1(s)?1和G1(s)?2；

圖2-1 比例環(huán)節(jié)的模擬電路

圖2-2比例環(huán)節(jié)SIMULINK仿真模型

② 慣性環(huán)節(jié)G1(s)?11和G2(s)? s?10.5s?1

圖3-1慣性環(huán)節(jié)模擬電路

圖3-2慣性環(huán)節(jié)SIMULINK仿真模型

③ 積分環(huán)節(jié)G1(s)?1s

圖4-1積分環(huán)節(jié)的模擬電路

圖4-2積分環(huán)節(jié)SIMULINK仿真模型

④ 微分環(huán)節(jié)G1(s)?s

圖5-1微分環(huán)節(jié)的模擬電路

圖5-2微分環(huán)節(jié)SIMULINK仿真模型

⑤ 比例+微分環(huán)節(jié)（PD）G1(s)?s?2和G2(s)?s?1

圖6-1比例+微分環(huán)節(jié)的模擬電路

圖6-2比例+微分SIMULINK仿真模型

⑥ 比例+積分環(huán)節(jié)（PI）G1(s)?1?1和G2(s)?1?1

s2s

圖7-1比例+積分環(huán)節(jié)的模擬電路

圖7-2比例+積分SIMULINK仿真模型

五、心得體會

通過這次接觸MATLAB,真正的體會到了它強大的數(shù)值計算和符號計算功能，以及強大的數(shù)據(jù)可視化、人際智能交互能力。該工具主要處理以傳遞函數(shù)為主要特征的經(jīng)典控制和以狀態(tài)空間為主要特征的現(xiàn)代控制中的主要問題，它能夠使圖形生動形象的展現(xiàn)給我們，使理解更深刻。